微透鏡陣列元件淺談復(fù)眼透鏡陣列的原理和應(yīng)用

微透鏡陣列元件淺談復(fù)眼透鏡陣列的原理和應(yīng)用

復(fù)眼透鏡是什么？復(fù)眼透鏡陣列要實(shí)現(xiàn)均勻照明需兩列復(fù)眼透鏡陣列平行排列，列復(fù)眼位透鏡陣列元件中的各個(gè)小單元透鏡的焦點(diǎn)與第二列的復(fù)眼透鏡陣列中對(duì)應(yīng)的小單元透鏡的中心重合，兩列復(fù)眼透鏡的光軸互相平行，在第二列復(fù)眼透鏡后放置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了均勻照明系統(tǒng)。對(duì)復(fù)眼透鏡有了一定了解后，就來(lái)一起看看復(fù)眼透鏡陣列的原理。

復(fù)眼透鏡簡(jiǎn)介

復(fù)眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，將雙排復(fù)眼透鏡陣列應(yīng)用于照明系統(tǒng)可以獲得高的光能利用率和大面積的均勻照明。復(fù)眼透鏡在微顯示器及投影顯示領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。利用雙排復(fù)眼透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻照明的關(guān)鍵在于提高其均勻性和照明亮度。

復(fù)眼透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻照明的原理

復(fù)眼透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻照明的原理是：與光軸平行的光束通過(guò)透鏡后聚焦在第二塊透鏡的中心處，排復(fù)眼透鏡交光源形成多個(gè)光源像進(jìn)行照明，第二排復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡將排復(fù)眼透鏡對(duì)就的小透鏡重疊成像于照明面上。由于排復(fù)眼透鏡將光源的整個(gè)寬光束分為多個(gè)細(xì)光束照明，且每個(gè)細(xì)光束范圍內(nèi)的垂淚不均勻性由于處于對(duì)稱位置細(xì)光束的相互疊加，使細(xì)光束的垂軸不均勻性獲得補(bǔ)償，從而使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻的利用。從第二排復(fù)眼透鏡的出射的光斑通過(guò)聚光鏡聚焦在照明屏上，這樣，照明屏上光斑的每一點(diǎn)均受到光源所有點(diǎn)所有點(diǎn)發(fā)出的光線照射，同時(shí)，光源上每一點(diǎn)發(fā)出的光束又都交會(huì)重疊到照明光斑上的同一視場(chǎng)范圍內(nèi)，所以得到一個(gè)均勻的方形光斑。

復(fù)眼透鏡在激光二極管陣列的應(yīng)用

1.復(fù)眼透鏡對(duì)單光束光源的均勻化機(jī)制

復(fù)眼透鏡光束均勻化主要依靠對(duì)光束的分割和疊加來(lái)實(shí)現(xiàn),在復(fù)眼透鏡光束整形中通常是針對(duì)單光束光源的,基于復(fù)眼透鏡的LD整形系統(tǒng)通常由雙排微透鏡陣列和積分透鏡組成。兩組微透鏡陣列前后平行放置且間距為子透鏡的焦距,子透鏡之間相互對(duì)準(zhǔn)形成子透鏡對(duì)。組微透鏡陣列元件中的子透鏡將入射光束分割為子光束并聚焦到第二組微透鏡陣列上,第二組微透鏡陣列中的子透鏡和積分透鏡共同將對(duì)應(yīng)的子光束重合在積分透鏡的焦面上。由于排微透鏡陣列將光源的整個(gè)寬光束分為多個(gè)細(xì)光束,每個(gè)細(xì)光束范圍內(nèi)的微小不均勻性將在重合的過(guò)程被平滑從而獲得均勻照明。這就是微透鏡陣列光束均勻化的分割疊加機(jī)制。當(dāng)入射光不是平行光時(shí),如圖1(b)所示,不同入射角的光線通過(guò)組微透鏡陣列后將被聚焦于第二組微透鏡陣列的相應(yīng)子透鏡的不同高度處。此時(shí)第二組微透鏡通過(guò)組子透鏡的中心光線偏折為平行光軸出射,保證其他入射角的光線仍然能夠在積分透鏡的焦面上重合,從而使非準(zhǔn)直光束仍然能夠在焦面上重合。但是如果光線的入射角過(guò)大,使光線聚焦點(diǎn)超出對(duì)應(yīng)子透鏡的孔徑范圍進(jìn)入相鄰的子透鏡孔徑,其光束將偏離重合區(qū)域而形成旁瓣,降低了光源的能量利用率。對(duì)于具有一定發(fā)散角的光源來(lái)講,子透鏡的數(shù)值孔徑需要足夠大才能接收到來(lái)自光源的所有光線。

2. 復(fù)眼透鏡對(duì)LD陣列光束的分割

對(duì)復(fù)眼透鏡單光束光源均勻化機(jī)制的分析表明,復(fù)眼透鏡光束均勻化的一個(gè)重要的前提是將光束進(jìn)行分割和疊加。雖然LD陣列的光束也是由一個(gè)個(gè)子光束組成的,但是如果以此進(jìn)行光束分割,直接將各子光束疊加仍然不能得到均勻的強(qiáng)度分布。因?yàn)長(zhǎng)D的每個(gè)子光束之間的光分布是相似的(快軸方向?yàn)楦咚狗植?慢軸方向?yàn)槌咚狗植?,疊加后光分布與單光束的光分布仍然是相似的,并不能實(shí)現(xiàn)均勻化的目的。因此在采用復(fù)眼透鏡的LD陣列光束均勻化的過(guò)程中,需要使用復(fù)眼透鏡對(duì)LD陣列中的子光束進(jìn)行分割,破壞這種相似性。一個(gè)解決辦法就是讓復(fù)眼透鏡離開LD陣列足夠的距離l使單個(gè)LD的光束能夠覆蓋多個(gè)復(fù)眼透鏡的子孔徑,從而每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光束被數(shù)個(gè)子透鏡孔徑所分割并在積分透鏡后焦面疊加。由于LD陣列中單個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光束是相干的,對(duì)單個(gè)發(fā)光點(diǎn)的分割疊加還不能得到均勻化的目的。但是LD陣列是由許多非相干的發(fā)光點(diǎn)組成的,每個(gè)發(fā)光點(diǎn)分割疊加后的非均勻光斑在積分透鏡的后焦面重合,其內(nèi)部不均勻性將會(huì)通過(guò)疊加得到減小甚至消除。

因此,復(fù)眼透鏡對(duì)LD陣列光束均勻化的機(jī)制為:對(duì)LD陣列中每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的子光束分別進(jìn)行分割疊加,破壞LD陣列中各個(gè)子光束之間光分布的相似性;將LD陣列中所有子光束分割疊加后的光斑再進(jìn)行非相干疊加實(shí)現(xiàn)均勻化的目的。